基于漫射相关光谱分析的血流动力学模型
发布时间：2021-02-16 06:39
人体组织微血管的血流测量对于很多疾病的诊断和治疗至关重要。近红外漫射相关光谱（Near-infrared diffuse correlation spectroscopy,NIR-DCS）是近些年来发展起来的基于红细胞运动的组织血流测量新技术,具有无创、实时和能够连续测量等优点而越来越受到重视。目前适用于DCS技术的随机弹道模型或布朗运动模型均不能完全解释红细胞在复杂血管网络的运动状态,影响DCS血流测量的精度。针对这个技术局限性,本文开展了红细胞运动的有限元仿真和液态仿体测量实验,目的是建立符合微血管结构特征的血流动力学模型。本文的创新性工作包括:（1）针对目前的随机弹道模型或布朗运动模型不完全反映微血管系统的网状结构特征这一局限性,本文建立了二者结合的混合模型,能够较为全面地反映微血管系统内红细胞的运动特征。（2）建立了可以模拟微血管网络结构的计算机仿真模型,利用COMSOL的流体力学和粒子追踪模块仿真了微血管中红细胞的运动,在仿真中施加不同的流动速度,通过对有限元仿真结果进行处理获取了红细胞的均方位移与速度和时间的对应关系。（3）设计了液态仿体实验装置,开展了测量实验并利用DCS...
【文章来源】：中北大学山西省
【文章页数】：69 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
光子在组织中的吸收和散射Figure2-1Photonabsorptionandscatteringintissue
中北大学学位论文10中的衰减给出了一个有效的“吸收”项来解释。在半无限均匀介质中（图2-2），1gr,和1Gr,的解析表达式分别为：120112G,4iwkrkrSeeeDrr（2-4）1212001111212,g,,0krkrkrkranalyticalGeeeeGrrrr（2-5）其中，指的是光源与探测器的距离；0k2n；""2220K3asskr；2210rz；2220rz；"0z1s；"21z31effbseffRR；21R1.440.710.6680.0636effnnn；ninoutnn为折射率。同时2,measuredg可以通过Siegert-relation方程求得,1measuredg。图2-2求解光子扩散方程的几何图Figure2-2Geometricfigureforsolvingphotondiffusionequation此外，引入无单位因子（01），以便使得相关扩散方程更适用于生物组织，它表示的是运动散射体（例如，红细胞）与总散射体之间的比率。将与2r结合（即2r）用来表示生物组织中“运动”散射体的均方位移。由于1gr,取决于""2220K3asskr，因此它是组织光学性质（吸收系数a和散射系数"s）和“运动”散射体的均方位移（即2r）的函数。其中a和"s的值可以通过文献查阅或测量得到，因此，1gr,的值仅仅只取决于2r的值。
中北大学学位论文11对于本文中提出的新型扩散模型而言，222r=V6BD，其中V2指的是细胞速度分布的二阶矩[49]，BD指的是组织中散射体的有效布朗扩散系数[49]，通过改变1,analyticalgrt中的2V和6DB，然后拟合1measuredgr,t就可以提取出V2和6DB，尽管2V和B6D（2cms）的单位不同于传统的血流灌注单位[ml/min/100g]。2.3DCS血流测量原理我们搭建的DCS血流测量仪主要由长相干长度（>5m）的连续波激光器（785nm，DL-785-120-so，crystalaser，inc.），八个单光子计数器（APDs）（SPCM-780-13-FC，ExcelitasInc.，Canada）和八通道相关器（flex05-8ch，Correlator.com，USA）组成，如图2-3所示。通过多模光纤从激光器发出的长相干近红外漫射光射入组织，注入的光子在组织内经过吸收和散射，一部分光子最终从组织中逸出，并由距离源光纤几厘米（）远的单模探测器光纤收集。采集到的光子经由单模光纤被APD计数，最终输出的光电子被一个8通道相关器获取作自相关并计算光强度时间自相关函数2G。归一化的2G函数（2g）与光电场时间自相关1g满足Siegertrelation关系。非归一化的1g函数（1G）满足扩散相关方程。通道，在特定的边界条件（如半无限）下，从扩散相关方程中分析提取血流指数（BFI）值。图2-3DCS元件原理图Figure2-3TheschematicdiagramofDCSprinciple
【参考文献】：
期刊论文
[1]结合Tikhonov正则化方法的近红外漫射光血流成像技术[J]. 张晓娟,徐金荣,桂志国,白馨,左佳,刘祎,尚禹. 中国医疗设备. 2018(12)
[2]计算流体动力学在颅内动脉瘤研究及治疗中的应用和进展[J]. 范志远,史源,朱巍. 中国临床神经科学. 2018(06)
[3]结合生物体形态学信息实现功能血流成像的近红外漫射光新技术[J]. 尚禹,刘祎,王冠军,韩建宁,丁婷,钱丽霞,郑育聪,郭娟. 中国医学物理学杂志. 2016(12)
[4]基于扩散相关光谱的血流检测方法研究[J]. 梁佳明,王晶,梅建生,张镇西. 光谱学与光谱分析. 2012(10)
[5]近红外光谱技术在激光热疗荷瘤大鼠中的实时监测研究[J]. 王猛,游洋,杨天明,钱志余,包美芳. 东南大学学报(医学版). 2012(02)
[6]偏稳健M回归在人体血糖浓度近红外无创检测中的应用[J]. 李庆波,阎侯赖,李丽娜,吴瑾光,张广军. 光谱学与光谱分析. 2010(08)
[7]近红外光谱法无创测量人体血红蛋白浓度[J]. 吴太虎,徐可欣,刘庆珍,陈锋. 激光生物学报. 2006(02)
[8]计算流体力学常用数值方法简介[J]. 李志印,熊小辉,吴家鸣. 广东造船. 2004(03)
[9]生物组织光学特性检测中的探头设计[J]. 徐正红,张镇西,王晶. 激光生物学报. 2004(01)
[10]漫射光自相关测组织微循环血流模型[J]. 张西芹,邢达,刘迎,田振,马世宁. 中国激光. 2002(07)
硕士论文
[1]近红外漫射光血流测量的N阶线性算法的去噪研究[D]. 张鹏.中北大学 2019
[2]液体静压支承系统油腔工作性能研究[D]. 张成印.北京工业大学 2011
[3]液力减振器流固耦合仿真与结构异响分析[D]. 何联格.重庆大学 2011
[4]微血管红细胞流动特性的理论与仿真[D]. 崔建强.山东大学 2010
[5]微循环中红细胞流动的基础性研究[D]. 何晓川.山东大学 2009
本文编号：3036353
【文章来源】：中北大学山西省
【文章页数】：69 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
光子在组织中的吸收和散射Figure2-1Photonabsorptionandscatteringintissue
中北大学学位论文10中的衰减给出了一个有效的“吸收”项来解释。在半无限均匀介质中（图2-2），1gr,和1Gr,的解析表达式分别为：120112G,4iwkrkrSeeeDrr（2-4）1212001111212,g,,0krkrkrkranalyticalGeeeeGrrrr（2-5）其中，指的是光源与探测器的距离；0k2n；""2220K3asskr；2210rz；2220rz；"0z1s；"21z31effbseffRR；21R1.440.710.6680.0636effnnn；ninoutnn为折射率。同时2,measuredg可以通过Siegert-relation方程求得,1measuredg。图2-2求解光子扩散方程的几何图Figure2-2Geometricfigureforsolvingphotondiffusionequation此外，引入无单位因子（01），以便使得相关扩散方程更适用于生物组织，它表示的是运动散射体（例如，红细胞）与总散射体之间的比率。将与2r结合（即2r）用来表示生物组织中“运动”散射体的均方位移。由于1gr,取决于""2220K3asskr，因此它是组织光学性质（吸收系数a和散射系数"s）和“运动”散射体的均方位移（即2r）的函数。其中a和"s的值可以通过文献查阅或测量得到，因此，1gr,的值仅仅只取决于2r的值。
中北大学学位论文11对于本文中提出的新型扩散模型而言，222r=V6BD，其中V2指的是细胞速度分布的二阶矩[49]，BD指的是组织中散射体的有效布朗扩散系数[49]，通过改变1,analyticalgrt中的2V和6DB，然后拟合1measuredgr,t就可以提取出V2和6DB，尽管2V和B6D（2cms）的单位不同于传统的血流灌注单位[ml/min/100g]。2.3DCS血流测量原理我们搭建的DCS血流测量仪主要由长相干长度（>5m）的连续波激光器（785nm，DL-785-120-so，crystalaser，inc.），八个单光子计数器（APDs）（SPCM-780-13-FC，ExcelitasInc.，Canada）和八通道相关器（flex05-8ch，Correlator.com，USA）组成，如图2-3所示。通过多模光纤从激光器发出的长相干近红外漫射光射入组织，注入的光子在组织内经过吸收和散射，一部分光子最终从组织中逸出，并由距离源光纤几厘米（）远的单模探测器光纤收集。采集到的光子经由单模光纤被APD计数，最终输出的光电子被一个8通道相关器获取作自相关并计算光强度时间自相关函数2G。归一化的2G函数（2g）与光电场时间自相关1g满足Siegertrelation关系。非归一化的1g函数（1G）满足扩散相关方程。通道，在特定的边界条件（如半无限）下，从扩散相关方程中分析提取血流指数（BFI）值。图2-3DCS元件原理图Figure2-3TheschematicdiagramofDCSprinciple
【参考文献】：
期刊论文
[1]结合Tikhonov正则化方法的近红外漫射光血流成像技术[J]. 张晓娟,徐金荣,桂志国,白馨,左佳,刘祎,尚禹. 中国医疗设备. 2018(12)
[2]计算流体动力学在颅内动脉瘤研究及治疗中的应用和进展[J]. 范志远,史源,朱巍. 中国临床神经科学. 2018(06)
[3]结合生物体形态学信息实现功能血流成像的近红外漫射光新技术[J]. 尚禹,刘祎,王冠军,韩建宁,丁婷,钱丽霞,郑育聪,郭娟. 中国医学物理学杂志. 2016(12)
[4]基于扩散相关光谱的血流检测方法研究[J]. 梁佳明,王晶,梅建生,张镇西. 光谱学与光谱分析. 2012(10)
[5]近红外光谱技术在激光热疗荷瘤大鼠中的实时监测研究[J]. 王猛,游洋,杨天明,钱志余,包美芳. 东南大学学报(医学版). 2012(02)
[6]偏稳健M回归在人体血糖浓度近红外无创检测中的应用[J]. 李庆波,阎侯赖,李丽娜,吴瑾光,张广军. 光谱学与光谱分析. 2010(08)
[7]近红外光谱法无创测量人体血红蛋白浓度[J]. 吴太虎,徐可欣,刘庆珍,陈锋. 激光生物学报. 2006(02)
[8]计算流体力学常用数值方法简介[J]. 李志印,熊小辉,吴家鸣. 广东造船. 2004(03)
[9]生物组织光学特性检测中的探头设计[J]. 徐正红,张镇西,王晶. 激光生物学报. 2004(01)
[10]漫射光自相关测组织微循环血流模型[J]. 张西芹,邢达,刘迎,田振,马世宁. 中国激光. 2002(07)
硕士论文
[1]近红外漫射光血流测量的N阶线性算法的去噪研究[D]. 张鹏.中北大学 2019
[2]液体静压支承系统油腔工作性能研究[D]. 张成印.北京工业大学 2011
[3]液力减振器流固耦合仿真与结构异响分析[D]. 何联格.重庆大学 2011
[4]微血管红细胞流动特性的理论与仿真[D]. 崔建强.山东大学 2010
[5]微循环中红细胞流动的基础性研究[D]. 何晓川.山东大学 2009
本文编号：3036353
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